預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁在滿堂式碼頭中的應(yīng)用

◎ 章康 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

許仁超 福建省福州港口發(fā)展中心水運(yùn)工程質(zhì)量安全技術(shù)站

1.滿堂式樁基碼頭

滿堂式高樁碼頭，通常采用樁基平臺(tái)與接岸結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)型式在鹽田、連云港等地區(qū)有許多成功應(yīng)用案例。由于護(hù)岸施工完成后樁基施工難度較大，樁基先行施工，待樁基施工完成后進(jìn)行樁間拋石形成接岸結(jié)構(gòu)。為避免后實(shí)施的護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)樁基的影響，樁基宜采用全直樁結(jié)構(gòu)。

樁基結(jié)構(gòu)樁型的合理選擇是高樁式水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)成樁的工藝，可以分為打入樁、灌注樁（嵌巖樁）。灌注樁（嵌巖樁）主要用于軟土層厚度較小，下臥層以巖基為主的地基，具有截面慣性矩大、承載力高、對(duì)地基條件適應(yīng)性好等特點(diǎn)，但樁基費(fèi)用高，施工速度慢，需投入較多的成樁設(shè)備才能保證施工進(jìn)度。當(dāng)軟土層較厚時(shí)，可優(yōu)先采用打入樁，與灌注樁相比，其具有有施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快等優(yōu)勢(shì)。預(yù)應(yīng)力方樁、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC樁）、后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁、鋼管樁為最為常用的打入樁樁基形式。

2.TSC樁簡(jiǎn)介

預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁（TSC樁）是一種新型樁型，目前已在舟山等地區(qū)有較多的成功應(yīng)用案例，技術(shù)成熟。其外壁為薄壁鋼管樁，內(nèi)壁為經(jīng)離心工藝成型的混凝土強(qiáng)度不低于C80的素混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)壁和外壁共同構(gòu)成復(fù)合管樁。

3.工程案例應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

福建某泊位工程，建設(shè)1個(gè)5萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位，水工結(jié)構(gòu)按照10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)。相鄰北側(cè)已建碼頭采用沉箱重力式結(jié)構(gòu)，南側(cè)擬建碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)。碼頭長(zhǎng)325m（含38.18m北側(cè)碼頭預(yù)留段），寬51.5m，頂高程10.0 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面-15.60m。碼頭平臺(tái)上，前沿至岸橋后軌設(shè)計(jì)均載30kN/m2，后軌至碼頭平臺(tái)后沿設(shè)計(jì)均載為40kN/m2。集裝箱岸橋軌距30m，基距15.5m，輪距1.1m，8輪/腿，兩臺(tái)岸橋最小間距3m。工作狀態(tài)最大輪壓850kN/輪（海側(cè)）、680 kN/輪（陸側(cè)），非工作狀態(tài)最大輪壓1010 kN/輪（海側(cè)）、1190 kN/輪（陸側(cè)）。

根據(jù)地勘報(bào)告，距碼頭前沿70～180m后方已通過(guò)人工填石形成大面積陸域場(chǎng)地，部分場(chǎng)地已做堆場(chǎng)使用。海域區(qū)為海積層（稍密～密實(shí)的砂性土、流塑狀淤泥、可塑狀粉質(zhì)粘土等），厚度40～48m，其下為強(qiáng)-中風(fēng)化巖，下臥層中無(wú)明顯有軟弱土層分布。根據(jù)勘探揭露地層的地質(zhì)時(shí)代、成因類型、埋藏深度、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及其工程地質(zhì)特征，自上而下依次為：拋填石①、細(xì)砂②、淤泥②-1、粉質(zhì)粘土③、中砂③-1、黏土④、粉質(zhì)粘土⑤、粗砂⑤-1、全風(fēng)化花崗巖⑥、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑦、中風(fēng)化花崗巖⑧。

考慮重力式結(jié)構(gòu)持力層埋深較深，水工結(jié)構(gòu)如采用重力式結(jié)構(gòu)，基槽開(kāi)挖回填量大，一方面將影響現(xiàn)場(chǎng)堆場(chǎng)的使用，另一方面會(huì)影響海洋環(huán)生態(tài)境。采用高樁結(jié)構(gòu)不但可以減少上述影響，相比重力式結(jié)構(gòu)還可以減少工程造價(jià)。

除了灌注樁外，由于本工程軟土層較厚，樁基還可考慮打入樁。綜合考慮設(shè)計(jì)船型及全直樁平臺(tái)受力特性，在水平力作用下樁頂需承受較大彎矩，故本工程打入樁考慮鋼管樁及TSC樁方案。在進(jìn)行比較后，該碼頭滿堂式全直樁方案采用的結(jié)構(gòu)形式如下：碼頭平臺(tái)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁基一般采用Φ1200mmTSC樁（每榀排架海側(cè)4 根樁采用Φ1200mmTSC-P-II型（C型），鋼管壁厚10mm，岸側(cè)6 根樁采用Φ1200mmTSC-P-II型（C型），鋼管壁厚14mm，樁壁厚均為150mm）、排架間距10m，每榀排架布置10根樁。根據(jù)現(xiàn)狀，碼頭北側(cè)已建碼頭預(yù)留沉箱，拋石層較厚，不具備打入樁條件，采用Φ1300mm沖孔灌注樁作為碼頭樁基結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3.2 設(shè)計(jì)樁力的比較

比選樁基結(jié)構(gòu)分別選用Φ1300mm的灌注樁、Φ1200mm鋼管樁（計(jì)算壁厚20mm），樁基布置數(shù)量及形式和TSC樁結(jié)構(gòu)方案相同。在外部荷載相同的情況下，各結(jié)構(gòu)均無(wú)拉樁，設(shè)計(jì)最大樁力、最大應(yīng)力及設(shè)計(jì)最大樁彎矩如表1所示。因結(jié)構(gòu)均采用全直樁，樁數(shù)及布置相同，Φ1300mm灌注樁、Φ1200mm鋼管樁樁基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最大樁彎矩基本一致，Φ1200mm結(jié)構(gòu)同一排架內(nèi)采用兩種不同壁厚的樁基，設(shè)計(jì)最大樁彎矩略大。另外，Φ1300mm灌注樁為實(shí)心混凝土結(jié)構(gòu)，樁基自重大，Φ1200mm鋼管樁、Φ1200mmTSC樁結(jié)構(gòu)為空心，樁基自重小，所以在三種樁基結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)最大樁力值最大，Φ120 0mm鋼管樁最小，Φ1200mmTSC在兩者之間。

經(jīng)計(jì)算Φ1300mm灌注樁受力鋼筋的配筋率近3.8%，Φ1200mm鋼管樁的最大應(yīng)力已接近鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，樁基受力已近極限。但鋼管壁厚10mm的Φ1200mmTSCP-II（C型），純彎時(shí)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值7298kN·m，鋼管壁厚14mm的Φ1200mmTSC-P-II（C型），純彎時(shí)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值達(dá)8848kN·m。

3.3 水平荷載作用下位移的比較

實(shí)心的灌注樁的因截面慣性矩大，剛度大，TSC樁外壁為薄壁鋼管，內(nèi)壁為混凝土，截面慣性矩次之，且鋼材彈性模量大于混凝土的彈性模量，剛度較大，鋼管樁壁厚遠(yuǎn)小于TSC樁的總壁厚，截面慣性矩最小，剛度也最小。在本工程中，對(duì)比采用相同樁數(shù)、樁基布置下Φ1300mm的灌注樁、Φ1200mm鋼管樁和TSC樁結(jié)構(gòu)，在船舶靠岸撞擊力作用下的位移對(duì)比可知（表2），應(yīng)用Φ1200mmTSC樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移顯著小于Φ1200mm鋼管樁結(jié)構(gòu)的水平位移，略大于Φ1300mm灌注樁結(jié)構(gòu)的位移。

表1 采用不同樁基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)樁內(nèi)力

表2 船舶靠岸撞擊力作用下采用不同樁基結(jié)構(gòu)的水平位移

3.4 造價(jià)的比較

本工程三種樁基結(jié)構(gòu)的持力層均選為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化花崗巖，各樁基結(jié)構(gòu)的樁長(zhǎng)相近，樁基制作及施工的費(fèi)用，直接決定了三種方案的實(shí)際造價(jià)。因樁基數(shù)量一致，本文只需比較單根樁的不含稅市場(chǎng)價(jià)(元)。

灌注樁雖然在材料費(fèi)用上的成本低于鋼管樁和TSC樁，鋼護(hù)筒只需簡(jiǎn)易防腐，成本低，但其需要進(jìn)行施工平臺(tái)施工，鉆孔并設(shè)置鋼護(hù)筒，總的單樁成本高于其他樁型。TSC樁的成品外購(gòu)費(fèi)用低于鋼管樁，且無(wú)需施工平臺(tái)、鉆孔、鋼護(hù)筒，單樁成本低于其他樁型，本工程共使用260根TSC樁，相較其他樁型經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.5 施工方面的比較

碼頭平臺(tái)樁基采用灌注樁，其施工工藝繁雜，需要搭設(shè)施工平臺(tái)、設(shè)置鋼護(hù)筒、鉆孔、清孔、吊放鋼筋籠骨架、灌注水下混凝土等，各工序均在水上進(jìn)行，施工周期比較長(zhǎng)。質(zhì)量方面，要控制混凝土澆筑前孔底沉渣厚度，保證單根灌注樁的混凝土連續(xù)澆筑，樁身無(wú)斷層或夾層。

4.結(jié)論

對(duì)于樁基采用全直樁的滿堂式高樁碼頭，需要保證樁基具有抗彎能力強(qiáng)，當(dāng)選用打入樁時(shí)還需要確保其具備耐錘擊性能好的特點(diǎn)。除了傳統(tǒng)的灌注樁、鋼管樁作為樁基外，TSC樁因其兼具鋼管樁及混凝土管樁的優(yōu)點(diǎn)，不但具備上述特點(diǎn)，價(jià)格又低于鋼管樁。